群体遗传学
群体遗传学
群体遗传学群体遗传学：是研究在演化动力的影响下，等位基因的分布和改变。
演化动力包括自然选择、性选择、遗传漂变、突变以及基因流动五种。
通俗而言，群体遗传学则是在种群水平上进行研究的遗传学分支。
它也研究遗传重组，种群的分类，以及种群的空间结构。
同样地，群体遗传学试图解释诸如适应和物种形成现象的理论。
群体遗传学是现代进化综论出现的一个重要成分。
该学科的主要创始人是休厄尔·赖特、约翰·伯顿·桑德森·霍尔丹和罗纳德·费雪，他们还曾经为定量遗传学的相关理论建立基础。
传统上是高度数学化的学科，现代的群体遗传学包括理论的，实验室的和实地的工作。
计算方法常使用溯祖理论，自1980年代发挥了核心作用。
理论：1、分子钟：分子水平的恒速变异，或分子进化速率在不同种系中恒定。
2、中性理论：进化过程中的核苷酸置换绝大部分是中性或者接近中性的突变随机固定的结果，而不是正向达尔文选择的结果。
许多蛋白质多态性必须在选择上为中性或者接近中性，并在群体中由突变维持平衡。
3、同源性状：两个物种中有两个性状(状态)满足以下两个条件中的任意一个:它们与这些物种的及先类群中所发现的某个性状相同；它们是具有祖先—后裔关系的不同性状。
直系同源的序列因物种形成而被区分开：若一个基因原先存在于某个物种，而该物种分化为了两个物种，那么新物种中的基因是直系同源的。
旁系同源的序列因基因复制而被区分开：若生物体中的某个基因被复制了，那么两个副本序列就是旁系同源的。
直系同源的一对序列称为直系同源体，旁系同源的一对序列称为旁系同源体。
4、祖先类群：如果一个类群(物种)至少有一个子裔类群，这个原始的类群就称为祖先类群。
5、单系类群：包含一个祖先类群所有子裔的群组称为单系类群，其成员间存在共同祖先关系。
6、并系类群和复系类群：不满足单系类群要求，各成员间又具有共同祖先特征的群组称为并系类群；各成员既不具有共同衍生特征也不具有共同祖先特征，只具有同型特征的分类群组称为复系类群。
《医学遗传学》第七章 群体遗传
(2)预期理论值（C）：各基因型频率分别与调查总人数相乘即得出各基因型的理论值。 ①基因频率的计算：
②基因型频率的计算：
根据 Hardy-Weinberg 定律，达遗传平衡时，应有 p2+2pq+q2＝1
在具体的群体中，各基因型的理论人数为各基因型频率与总人数(n)的乘积。即 MM＝np2＝ 1788×（0.4628）2＝382.96
[0.107 即纯合子频率；(1-0.107)是显性显性纯合子和杂合子的频率。]
3.计算χ2 值 =
=4.57 自由度(ν)＝(4-1)(3-1)=6 查χ2 界值表得：在ν＝6 时，χ20.75＝3.45；χ20.5＝5.35 3.45＜χ2＜5.35，∴0.5＞P＞0.75， 接受检验假设。 (四)检验苯硫脲尝味能力为二双等位基因的遗传假设 不讲。 第三节 影响群体基因频率的因素(一)：突变和选择 自然界中不可能有真正意义上的理想群体，只能有近似理想条件的群体。我们可以从理想群 体出发，将适用条件逐个取消，使理论分析逐渐接近于客观的真实群体的情况，最终获得真 实群体的遗传结构及其变化的一般规律。 一、突变对遗传平衡的影响 对一个给定的群体，导致群体遗传组成发生变异的原因主要有三个方面： （1）基因突变
3.确定 P 值和作出推断结论
P 值是指由检验假设所规定的群体中作随机抽样，获得等于及大于（或等于及小于）α值的 概率。根据 P 值确定拒绝或接受假设。
接受：当 p 值＞α时，接受假设。即两组数据之间的差异是由偶然因素造成的可能性＞0.05， 不是小概率事件，我们只好接受它。
拒绝：当 p 值≤α时，拒绝假设。即两组数据之间的差异是由偶然因素造成的可能性＜0.05， 是小概率事件，发生的可能性不大，我们不能接受它。
群体遗传学
例题
从群体调查结果知道一个群体中白化病 （AR）的发病率为1/10000，求该群体 中致病基因及其携带者的频率？该群体 正常人中携带者的频率？
二、复等位基因的遗传平衡
例如：ABO血型受控于三个复等位基因IA、IB、i，若对
应的基因频率分别为p、q、r。则在遗传平衡群体中， 基因频率和基因型频率的关系为：
例题
在某一人群中，白化病的发病率约为1/40000， 假定该群体为遗传平衡群体，则：携带者的 频率? 携带者与患者的比例
对于XD病，群体中： 女性患者的基因型 XA XA 、XA Xa 频率 p2 2pq 男性患者的基因型 XA Y 频率 p 由群体中致病基因频率p很小， q≈1 男女患者的比例p/(p2+2pq) ≈1/(1+q) ≈1/2 即群体中男性患者约为女性患者的1/2
（三）选择对X连锁隐性基因的作用
受选择个体为男性患者Xa Y 女性中有害隐性基因大多存在于XA Xa 中，而不被选择
选择与突变的平衡
设群体中致病基因Xa 的频率为q，男性群 体所拥有的致病基因只占整个群体的1/3 即为1/3q 选择淘汰的Xa 的频率⅓sq 突变增加Xa 的频率up ≈u(q ≈0,p ≈1) 平衡时u=⅓sq
XD病：
如果选择压力增强（禁止生育 ）， XA Xa、 XA Y被完全选择s=1 选择一代，致病基因A的频率降低为0
2、选择压力放松
无论对显性致病基因还是隐性致病基 因，都会引起致病基因频率向增高方 向变化，但变化的速度不同。
AD病：
如果致死s=1 ，选择放松后s=0 一代，致病基因a的频率增高一倍
二、基因频率和基因型频率的换算
调查一500人群体MN血型，结果250人M 型、150人MN型，100人N型，计算各基 因型和基因的频率：
群体名词解释遗传学
群体名词解释遗传学
遗传学是一门研究基因传递和遗传变异的学科。
它涵盖了从基因组水平到个体和群体水平的遗传现象的研究。
遗传学研究的对象包括基因在传代中的遗传原则、基因的结构和功能、基因组的变异和进化、以及基因与环境之间的相互作用。
在群体遗传学中，研究的焦点是一群个体的遗传组成以及这些基因在整个群体中的传递和分布。
群体遗传学关注的是群体中基因频率和基因型频率的变化，以及这些变化对群体适应性和进化的影响。
群体遗传学的一个重要概念是遗传漂变。
遗传漂变是指由于随机事件（如自然灾害、人类干预等）导致基因频率发生变化的现象。
遗传漂变是一个随机过程，其影响程度取决于群体的大小。
较小的群体更容易受到遗传漂变的影响，因为随机事件对其基因频率的影响更大。
遗传漂变可以导致基因的增加或减少，进而改变群体的遗传结构。
另一个重要概念是基因流。
基因流是指个体之间的基因交流。
基因流可以通过迁移、交配等方式发生。
基因流可以改变群体中的基因频率，增加群体的遗传多样性。
然而，过高的基因流也可能导致不同群体之间的遗传差异减少，从而抑制进化过程。
群体遗传学还研究了自然选择对群体中基因频率的影响。
自然选择是
指环境中某些特质的选择性增强或减弱。
通过自然选择，特定的基因型可能在群体中的频率逐渐增加或减少，从而影响群体的适应性和进化。
总之，群体遗传学研究群体中基因的分布和变化，以及这些变化对群体适应性和进化的影响。
通过理解群体遗传学的原理和机制，我们可以更好地理解生物多样性、进化和遗传疾病等现象。
群体遗传学
3、遗传平衡定律的应用
判断一个群体是否达到遗传平衡
计算有显隐性之分的等位基因频率
如何判断一个群体是否达到遗传平衡？
假设：一对等位基因A和a，基因A频率为p，a频率为
q； 则基因型频率必须符合二项式：
(p + q)2 = p2 + 2pq + q2 = 1
基 因 型 的 频 率
基 因 型 的 频 率
男性患者 = 致病基因频率 = p
女性患者 = p2 + 2pq = 2p 男性患者
= 1/2
女性患者 结论：女性患病率是男性患病率的2倍
☆ 对于一种罕见的XR遗传病
致病基因频率q很低，
男性患者 = 致病基因频率 = q 女性患者 = 致病基因频率的平方 = q2 男性患者 女性患者 = q q2 = 1 q
基因型 aa 的频率为 R
从基因型频率直接计算基因频率
1、 调查中国朝鲜族人群1000例，其中TT、Tt、tt 基因型的例数分别是480人、420人、100人，
求T和t的基因频率分别是多少？
2、调查上海市汉族1788人，其中：M型血，397人； N型血，530人；MN型血，861人。求M和N 的基因频率分别是多少？
C: 0.82和0.18
（A）
2. 经调查，某学校的学生中各血型的比率如下：
IAIA 20% IBIB 10% IAIB 10% IAi 30% IBi 20% ii 10%
计算IB的基因频率。
10% + 1/2（ 10% + 20%） = 25%
3. 某工厂有男女职工各200人，对他们进行调查时 发 现，女色盲5人，女性携带15人；男性色盲11人， 求XB、Xb的频率。 总基因数：200×2＋200＝600 XbXb 5个 XBXb 15个 XBXB 180个
群体遗传学
1群体遗传学population genetics研究目标:探索群体的遗传组成以及引起群体遗传组成发生变化的动力。
研究范畴：所有决定群体的遗传组成及其随时间和空间的变化规律性问题。
群体中有一对等位基因A和a等位基因A的频率为A/(A+a),显性的通常用p表示p= A / (A+a)等位基因a的频率为a/(A+a),隐性的通常用q表示q= a / (A+a)p + q= (A+a) / (A+a)= 16例:一对等位基因A和a群体中存在的基因型有3种AA, Aa, aaAA的频率:AA /(AA+Aa+aa),用D(dominance)表示Aa的频率:Aa/(AA+Aa+aa),用H(heterozygote)表示aa的频率:aa/(AA+Aa+aa),用R(recessive)表示D + H + R = 18如何获取某个群体某个感兴趣基因其分布的信息呢？9如果我们可以得到某个基因座所存在的每种基因型的频率，就可以得到每种等位基因的基因频率。
比如当某一性状是共显性或不完全显性性状时，群体中每一表型的频率就是对应的基因型频率，进而可以得到基因频率。
1011对MN血型有人在一个地区调查747人M 血型基因型为MM 占31.2% D N 血型基因型为NN 占17.3% R MN血型基因型为MN 占51.5% H例:p = D + H/2q = R + H/2设M的基因频率为p，N的基因频率为q，p＋q = 1p=(747×31.2%×2+747×51.5%)/747×2=0.312+0.515/2=0.57q=(747×17.3%×2+747×51.5%)/747×2=0.173+0.515/2=0.4312例：CCR5基因，编码细胞表面的细胞因子受体,可作为HIV病毒进入细胞的受体。
ΔCCR5基因，32bp的缺失突变，可引起编码蛋白的移码，从而使HIV病毒失去受体。
群体遗传学研究方法
群体遗传学研究方法群体遗传学是一门研究群体中基因频率及其变化的学科，其研究对象是整个群体的遗传特征。
群体遗传学研究方法主要包括群体遗传结构分析、群体遗传变异分析、群体遗传演化分析等。
本文将从这几个方面对群体遗传学研究方法进行详细介绍。
一、群体遗传结构分析群体遗传结构分析是研究群体内个体之间的遗传相关性以及遗传多样性的变化。
常用的方法有：群体遗传结构分析、群体遗传结构可视化、遗传距离计算等。
群体遗传结构分析可以通过分析群体内个体间的基因型频率来研究不同群体之间的遗传距离，从而揭示不同群体的遗传关系。
通过构建遗传结构树，可以直观地展示群体间的遗传关系。
群体遗传结构可视化是一种通过图形化展示群体间的遗传关系的方法。
常用的可视化方法包括主成分分析、判别分析等。
通过将高维数据降维到二维或三维空间，可以更直观地观察群体间的遗传关系。
遗传距离计算是一种衡量群体间遗传差异的方法。
常用的遗传距离计算方法有欧氏距离、曼哈顿距离等。
通过计算不同群体之间的遗传距离，可以量化群体间的遗传差异程度。
二、群体遗传变异分析群体遗传变异分析是研究群体内基因频率变异的过程。
常用的方法有群体遗传变异指数计算、群体遗传方差分析等。
群体遗传变异指数是衡量群体内基因频率变异程度的指标。
常用的群体遗传变异指数有平均杂合度、F统计量等。
通过计算群体遗传变异指数，可以评估群体内基因频率的变异程度。
群体遗传方差分析是一种用于检测群体间基因频率差异的统计方法。
通过比较群体内个体之间的遗传差异与群体间的遗传差异，可以判断基因频率是否存在显著差异，进而推测群体间是否存在遗传分化。
三、群体遗传演化分析群体遗传演化分析是研究群体内基因频率随时间的变化及其原因的过程。
常用的方法有群体遗传演化模型、遗传漂变分析等。
群体遗传演化模型是基于群体遗传学原理构建的数学模型，用于模拟群体内基因频率随时间的变化。
常用的群体遗传演化模型有哈迪-温伯格平衡模型、马尔可夫链模型等。
群体遗传学
基因型个体的数目，占个体总数的比率；
哈工大-遗传学 群体遗传学
基因频率和基因型频率的符号
(两个等基因)
等位基因 基因型
基因
符号 频率 符号
A p
a q
AA D
Aa H
aa R
哈工大-遗传学
群体遗传学
基因频率和基因型频率的符号 (复等位基因)
等位基因
基因
基
因
型
符号
频率 符号
A1 p1
A2 p2
A3 p3
上一课重点内容回顾
表观遗传学：
• DNA甲基化的变化周期 • 印记基因的功能 • 印记异常引起的疾病 • 解释基因组印记的假说
群体遗传学：
• 相关概念(基因和基因型频 率等)
• Hardy – Weinberg 平衡定
律
第十五章 群体遗传学
群体遗传学（population genetics）：是研究群体
H = 2pq
二、定律推导
设：一个原始群体内三个基因型频率是：
AA = D0，Aa = H0，aa = R0 则：p0 = D0 + 1 H0 2 q0 = R0 + 1H0 2
基因型频率 亲 代 基因频率
AA
D0
Aa
H0
aa
R0
群体遗传学
A
1 D0+p0 H0 2
a
q1 R0 + 02H0
哈工大-遗传学
平衡群体
哈工大-遗传学
群体遗传学
例如：果蝇D. willistoni 的Lap-5 基因的座位上有 三个等位基因“98”“100”“103”
(二)、伴性基因的平衡
遗传平衡定律也适用于性连锁基因；
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1）常染色体基因
A 1 A2
A3A4 P2
同 胞 兄 妹 间 婚 配
P1
B1
B2
A1A1 = （1/2）4 A2A2 = （1/2）4 A3A3 = （1/2）4 A4A4 = （1/2×（1/2）4 = 1 / 4
8．在一个100人的群体中，AA为60%，Aa为20%，aa 为20%，那么该群体中______。 A．A基因的频率为0.3 B．a基因的频率为0.7 C．是一个遗传平衡群体 D．是一遗传不平衡群体 E．经过一代后基因频率和基因型频率都会发生变化
9．对于一种相对罕见的X连锁隐性遗传病，其男性发病率 为q, ______ 。 A．人群中杂合子频率为2pq B．女性发病率是p2 C．男性患者是女性患者的两倍 D．女性患者是男性 患者的两倍E．女性发病率为q2
一级亲属间的近婚系数为1/4
A 1 A2
A3A4 P2
舅 甥 女 间 婚 配
P1
B1
B2
A1A1 = （1/2）5 A2A2 = （1/2）5 A3A3 = （1/2）5 A4A4 = （1/2）5
C
F = 4 ×（1/2）5 = 1 / 8
◇ 二级亲属间的近婚系数为1/8
S
A 1 A2
A3A4 P2 B2 C2
２、计算AD病基因频率
群体发病率=AA+Aa=p2+2pq，p+q=1 实际计算时，致病基因频率p很低，AA纯合个体少，
p2可以忽略，因此： • p2 ≈0，q ≈1，发病率= p2+2pq ≈ 2pq ≈ 2p
• 所以对于AD遗传病： p= ½ 发病率
例如：丹麦某地软骨不全发病率 1/10000
40 50
60
70 80 90 100 110 120 130 140 150
世代数
4.迁 移
迁移 (migration) ：指具有某一基因频率群体的部分个体 因某种原因迁入与其基因频率不同的另一群体中，并杂 交定居，从而改变迁入群体的基因频率，这种影响也称 迁移压力(migration pressure)。
再次随机交配子二代(F2)基因型AA： Aa：aa的比例变化
F2 精子 A（0.70） a (0.30) Aa (0.21) aa (0.09)
卵子A(0.70） a(0.30) AA(0.49) Aa (0.21)
即AA（p2）2=0.49，Aa(2p2q2)=0.42， aa(q2)2=0.09
基因流：迁移压力的增强可使某些基因从一个群体有 效地散布到另一个群体中，称为基因流(gene flow) 。
例如：B型血 等位基因起源于亚洲，逐渐向西流动，因此B型 血的等位基因在亚洲频率高，跨越欧洲逐步降低。
5.近亲婚配
近亲是指在 3～4 代以内有共同祖先的个体间的 关系，他们之间的婚配称为近亲婚配。 近婚系数： 是指近亲婚配的一对夫妻可能从共同祖先 得到同一基因，有可能把同一基因传给他 们的子女，子女得到这样一对来源相同且 纯合的概率为近婚系数（F）。
• 致病基因A频率p= ½ * 1/10000 =0.00005 • 正常基因a频率q=１－p=0.99995
•
3、计算X连锁致病基因的频率
1）XR 男性患者 = 致病基因频率 = q 女性患者 = 致病基因频率的平方 = q2
2)XD遗传病 致病基因频率p很低，正常基因频率q≈1 男性患者 = 致病基因频率 = p 女性患者 = p2 + 2pq ≈ 2p
表 兄 妹 间 婚 配
P1
B1
C1
A1A1 = （1/2）6 A2A2 = （1/2）6 A3A3 = （1/2）6 A4A4 = （1/2）6
F = 4 ×（1/2）6= 1 / 16
◇
S
三级亲属间的近婚系数为1/16
对于常染色体遗传： 一级亲属间的近婚系数为1/4
二级亲属间的近婚系数为1/8
三级亲属间的近婚系数为1/16 F =4*(1/2)n
随机遗传漂变
孤岛模型：假设有一对等位基因A和a，频率各为0.5
AA AA Aa Aa AA×Aa Aa aa
Aa
aa
Aa×Aa
aa×AA aa×aa
随机遗传漂变
1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 10 20 30
25人
250人
基因 A 的频率
2500人
n为共同祖先的等位基因传给近亲婚配后所生 子女使之纯合所需的步骤
2）X连锁基因： 因为女性有两条X染色体，所以可以形成纯合子， 会受到近亲婚配的影响。男性为半合子，近亲婚 配不受影响。 计算X连锁基因的F值时，只计算女性F值。 传递特点： 男性的X连锁基因一定传给女儿，传递概率为1 男性的X连锁基因不可能传给儿子，传递概率为0 女性的X连锁基因传给女儿和儿子的概率为1/2
群体遗传学
群体或种群是指生活在某一地区的、能相互杂交 的个体群。这样的群体也叫孟德尔式群体。
一、基因频率与基因型频率 基因频率是指群体中某一基因的数量即指等位 基因的频率。 基因型频率是指一个群体中不同基因型所占的 比率。
例如:MN血型。有人在一个地区调查747人 M血型 基因型为MM 223人 占31.2% N血型 基因型为NN 129人 占17.3% MN血型 基因型为MN 485人 占51.5% 设M的基因频率为p，N的基因频率为q，p＋q=1 p=MM十1/2 MN=0.312+0.515/2=0.57 q=NN+1/2MN=0.173+0.515/2=0.43
例如：AR遗传病——镰形细胞贫血
纯合子患者：严重的溶血性贫血和持续恶病质， f降低
杂合子：红细胞镰变，f增加
杂合子对疟疾具有相对免疫力，被疟原虫寄生后， 比正常红细胞更能被有效清除，表现出抗疟性， 在恶性疟疾流行区适合度增加。
3.遗传漂变
遗传漂变(random genetic drift)：在一 个小的群体中，由于个体间婚配机遇 不等，可使某些基因在群体中丢失， 另一些基因在群体中固定，造成群体 遗传结构明显改变的现象。 遗传漂变速度取决于群体的大小。
出生的以后各代中，都将保持这个基因频 率和基因型频率，不再发生变化 。 因此，一个遗传不平衡的群体，只要是进 行随机交配，一代以后即可达到遗传平衡。 群体中AA：0.25，Aa:0.50，aa：0.25, 是否为遗传平衡群体?
三.基因频率的计算
1、AR病致病基因频率 通过AR病群体发病率计算等位基因频率和各种基因 型频率。 隐性基因频率q=√q2 =√隐性表型频率= √群体发病率
2.选
择
选择 (selection) ：指由于基因型的差别而导致生 存能力和生育能力的差别。常用适合度和选择系 数来表示。
适合度 (fitness) ：是指一定环境条件下，某种基因 型个体能生存并能将他的基因传给后代的能力。 一般用相对生育率(relative fertility，f )来衡量。
选 择 系 数 ： 选 择 的 作 用 常 用 选 择 系 数 (selection coefficient ， S) 来表示。 S 代表在选择作用下，降 低的适合度，S ＝ 1 － f。
例如：已知白化病的发病率为1/10000，求白化病致 病基因频率q和携带者频率。 白化病为AR遗传病，患者为致病基因的纯合子，因此： 发病率 = q2 = 1/10000 q = 1/100 p = 1 － q = 99/100 携带者频率 = 2pq = 2 × 1/100 × 99/100 = 0.0198= 1.98%
☆例如：软骨发育不全的侏儒108人共生育了27个 子女，这些侏儒的457个正常同胞共生育了582个子 女，则：
27/108 f = 582/457 = 0.2
S=1-0.2=0.8 选择的作用在于增高或降低个体的适合度，对 特定缺陷的表型往往由于生育力下降有一个 负性选择。
☆ 选择也可以通过增加适合度呈正性选择
p+q=1
(p + q)
2
=1
p2 + 2pq + q2 =1 ↓ ↓ ↓ AA Aa aa
因此，当AA：Aa：aa = p2：2pq：q2时， 这样的群体处于平衡状态。
例如: 一个群体100人，AA60人，Aa20人， aa20人。这是一个遗传平衡群体吗？
先计算基因型频率: AA →0.6 Aa →0.2 aa →0.2。 再计算基因频率: A→p=0.60＋0.20/2=0.70 a→q=0.20+ 0.20/2=0.30 如果是遗传平衡的群体，它应当符合： p2+2pq+q2=1， p2=0.49 2pq=0.42 q2=0.09 上述群体基因型频率p2 0.6、 2pq 0.2、 q2 0.2，上述群体是一个遗传不平衡的群体。
四. 影响群体遗传平衡的因素
突变
选择
随机遗传漂变
隔离 迁移 近亲婚配
1.突 变
一对等位基因 A 和 a， 基因 A 的频率为 p ，突变为 a 的突变率为 u 基因 a 的频率为 q ，突变为 A 的突变率为 v 每一代中: pu=（1-q）u ，A→a qv， a→A a↑ A↑
若（1-q）u＞qv，则 若（1-q）u＜qv，则
F=0
姑表兄妹
S
X连锁基因
X 1Y
P1
X2X3 P2 B2 C2
B1
C1
X1X1 = 0 X2X2 = 0 X3X3 = 0 F=0
S
堂兄妹
结论 1.对于常染色体基因，三级亲属F=1/16 2.对于X连锁基因 姨表兄妹3/16 舅表兄妹2/16 姑表兄妹和堂兄妹0 所以对于X连锁疾病，姨表兄妹婚配或舅表兄妹婚 配比姑表兄妹或堂表兄妹危害还要大，姨表兄妹 近亲婚配危害最大。